TOPINAMBUR (HELIANTHUS TUBEROSUS) JAKO ROŚLINA ENERGETYCZNA

Transkrypt

1 Renata CZECZKO TOPINAMBUR (HELIANTHUS TUBEROSUS) JAKO ROŚLINA ENERGETYCZNA Streszczenie W ostatnich latach znacznie wzrosło zainteresowanie odnawialnymi źródłami energii. Jest ono wynikiem zagrożenia wyczerpania zasobów paliw kopalnych oraz obawy o stan środowiska naturalnego. Podejmowanych jest szereg badań mających na celu ocenę przydatności energetycznej różnych gatunków roślin. Wśród sporej grupy roślin mających znaczenie jako alternatywne źródła energii należy zwrócić szczególna uwagę na Topinambur (Helianthus tuberosus), którego zarówno bulwy jak i łodygi mogą stanowić dobry materiał energetyczny. Bulwy mogą być wykorzystywane do produkcji bioetanolu stanowiącego dodatek do benzyn, powstającego w procesie hydrolizy lub do fermentacji metanowej, natomiast łodygi po wysuszeniu można wykorzystać do bezpośredniego spalania jak również do produkcji brykietów i paletów. WSTĘP Paliwa kopalne stanowią nieodnawialne źródła energii. Ich zasoby mogą się wyczerpać w niedalekiej przyszłości (tab. 1). Ponadto produkty ich spalania mają niekorzystne oddziaływanie na środowisko naturalne, m.in. emitując do atmosfery znaczną ilość gazów cieplarnianych. Tab. 1. Zasoby paliw naturalnych [16] Nośnik energii Zapasy Rok wyczerpania znane przypuszczalne znanych przypuszczalnych Węgiel [Pg] po 2060 po 2200 Ropa naftowa [Pg] 82,4 192, Gaz ziemny [Tm 3 ] po 2060 Uran [Pg] 1,02 1, W celu ochrony środowiska naturalnego przed katastrofą i zapewnienia bezpieczeństwa energetycznego zostało opracowanych szereg dokumentów, do których należą m.in.: Biała Księga Energia dla przyszłości: odnawialne źródła energii, Zielona Księga Komisji Europejskiej Strategia na rzecz zrównoważonej, konkurencyjnej i bezpiecznej energii, oraz Protokół z Kioto, w którym zawarte są podstawowe cechy odnawialnych źródeł energii: zerowy bilans emisji spalin ze spalania biomasy w tworzeniu gazów cieplarnianych CO 2, CH 4 (czyli uwalnianie takiej ilości, np. CO 2 jaka została związana w procesie fotosyntezy przez rośliny) możliwość zaspokajania potrzeb energetycznych gospodarki przez wykorzystanie potencjału odnawialnych źródeł energii, AUTOBUSY 123

2 występowanie tych zasobów w rozproszeniu, co umożliwia ich wykorzystanie w lokalnych systemach energetycznych, a zwłaszcza na terenach wiejskich i małych miasteczek [4, 18, 20, 24, 25]. Prognoza IMBER przewiduje, że do 2020 roku udział odnawialnych źródeł energii w bilansie energetycznym polskiej wsi i rolnictwa wzrośnie do 21,3% [23], a więc do poziomu zapewniającego ponad 14% OZE w całym bilansie energetycznym kraju [5]. Obecnie wiele środowisk naukowych promuje koncepcję energetyki odnawialnej (wiatr, energia słoneczna, geotermalna, biomasa, biogaz) jednak w polskich warunkach najważniejszym źródłem energii odnawialnej jest biomasa, której udział w strukturze OZE stanowi ok. 98%. Biomasa to niewyczerpalne i ekologiczne źródło energii, którą stanowią substancje pochodzenia roślinnego lub zwierzęcego ulegające biodegradacji, pochodzące z produktów, odpadów i pozostałości z produkcji rolnej oraz leśnej, a także przemysłu przetwarzającego ich produkty. Wykorzystanie biomasy jest w rzeczywistości użytkowaniem energii słonecznej zaasymilowanej uprzednio przez rośliny do akumulacji węgla w tkankach [8]. Pozyskiwanie energii z biomasy roślinnej jest jednym z najbardziej ekologicznych działów energetyki. Sporą jej część stanowi biomasa, pochodząca ze specjalnie uprawianych roślin energetycznych, których potencjał plonotwórczy jest bardzo wysoki. MRiRW szacuje, że do 2020 r. nawet 2,2% gruntów ornych powinno być przeznaczonych pod uprawy roślin energetycznych [1]. 1. TOPINAMBUR JAKO ŹRÓDŁO BIOMASY W Polsce na potrzeby produkcji biomasy można uprawiać takie rośliny jak: wierzba wiciowa (Salix viminalis), ślazowiec pensylwański (Sida hermaphrodita), topinambur czyli słonecznik bulwiasty (Helianthus tuberosus), róża wielokwiatowa (Rosa multiflora), rdest sachalijski (Polygonum sachalinense) czy trawy wieloletnie [2, 6, 26]. Najcenniejsze uprawy energetyczne powinny wyróżniać się wydajną zamianą energii promieniowania słonecznego na biomasę, a także charakteryzować się wysoką zawartością suchej substancji. Szczególnie przydatne mogą tu być rośliny oszczędnie gospodarujące wodą, jak również odporne na choroby i niekorzystne warunki środowiskowe. Nie bez znaczenia jest też bilans energetyczny, uwzględniający relację nakładów ponoszonych na produkcję roślin i ilości energii uzyskanej w procesie spalania [1, 10]. Do takich roślin można zaliczyć Topinambur (Helianthus tuberosus) słonecznik bulwiasty, należący do rodziny astrowatych. Jest blisko spokrewniony ze słonecznikiem zwyczajnym (Helianthus annuus). Topinambur jest rośliną wciąż mało znaną, mimo iż jako roślina uprawna ma długą historię [12]. Roślina ta ze względu na duży potencjał plonowania, wszechstronną wartość użytkową biomasy, niskie wymagania glebowe oraz niewielkie nakłady na uprawę, odegra w przyszłości ważną rolę w produkcji rolniczej i ochronie środowiska. Topinambur wymieniany jest jako jeden z gatunków nadających się do produkcji bioetanolu (bulwy). Natomiast zeschnięte na pniu części nadziemne, mogą służyć do bezpośredniego spalania, produkcji brykietów, czy też paletów. Świeża masa części nadziemnych, zbierana nawet kilkakrotnie w sezonie wegetacyjnym, może posłużyć jako surowiec do produkcji biogazu zarówno po przewiędnięciu, jak i po zakiszeniu [14, 15, 17]. Wydajność biogazu z 1 tony biomasy topinamburu oceniana jest na m 3. Zaletą tego gatunku (zwłaszcza w przypadku stanowisk trudnych do uprawy) jest możliwość odnawiania się plantacji, co eliminuje konieczność corocznych nasadzeń. Topinambur najczęściej uprawia się poza płodozmianem przez kilka lat na tym samym polu. Wieloletnia plantacja pozostawiona bez przerzedzania roślin i nawożenia mineralnego staje się jednak nieefektywna. W przypadku uprawy na zieloną masę (w celach pastewnych lub do fermentacji na biogaz) części nadziemne można kosić w dwóch, a nawet w trzech terminach: w czerwcu, sierpniu i listopadzie. Topinambur jest rośliną o bardzo wysokim potencjale produkcyjnym. Wysokość plonu zależy przede wszystkim od odmiany roślin, ale istotny wpływ ma również zasobność gleby i zabiegi agrotechniczne, jakie zastosuje się podczas uprawy. Plon łodyg Topi- 124 AUTOBUSY

3 namburu wg Piskiera [19] kształtuje się na poziomie 6,78-7,11 t ha -1 suchej masy, inni autorzy przedstawiają podobne wyniki, gdzie plon bulw wynosi 6,22 t ha -1, łodyg 8,58 t ha -1 [21]. Wysoki potencjał plonowania, łatwość uprawy, mały koszt założenia plantacji oraz duże zdolności adaptacyjne do warunków glebowych przemawiają za rozpowszechnieniem tego gatunku w Polsce [17]. Realna możliwość uzyskania dużych plonów w warunkach małych kosztów jest obecnie powodem powszechnego zainteresowania tym gatunkiem. Termin jak i warunki pogodowe podczas pozyskiwania mają istotny wpływ na wilgotność pozyskiwanej biomasy [3]. Proces spalania części nadziemnej roślin energetycznych w istotny sposób zależy od wilgotności, zarówno pod względem przebiegu i kompletności spalania jak i uzyskiwanej ilości ciepła. Im wyższa jest zawartość wody w materiale roślinnym tym niższa jest jej wartość opałowa. Często jednak brak odpowiedniego surowca zmusza do używania dość zawilgoconego materiału. Spalanie takiej biomasy przeprowadza się w kotłach do spalania fluidalnego gdzie jest możliwość spalania paliw o dość dużej wilgotności [13, 22]. O cieple spalania i wartości opałowej paliwa decydują udziały gramowe takich pierwiastków, jak: węgiel C, wodór H i siarka S. Im są one większe w masie palnej paliwa, tym większe ciepło spalania, a więc i większa wartość opałowa. Skład elementarny obejmuje także udziały gramowe: tlenu O, azotu N i chloru Cl oraz zawartość balastu (tj. wilgoci i popiołu) tab. 2. Tab. 2. Skład elementarny wybranych surowców lignocelulozowych w porównaniu węglem brunatnym Skład elementarny Surowiec C H N S Popiół % suchego surowca Topinambur 45,77 6,08 0,31 0 2,51 Miskant olbrzymi 48,15 6,09 0,23 0 2,10 Rdest sachalijski 46,81 5,69 0,38 0 2,67 Węgiel brunatny 68,4 5,5 1,8 1,3 7,6 Źródło: [13] Biopaliwa w porównaniu z węglem brunatnym cechuje mniejsza zawartość popiołu oraz znacznie niższa wartość opałowa (tab. 3). Można zatem przewidywać, że w odniesieniu do jednostki energii otrzymanej podczas spalania ilość popiołu z biopaliwa będzie większa niż z węgla brunatnego. Popiół ten można jednak zagospodarować do nawożenia upraw rolniczych ze względu na zawartość w nim znacznych ilości mikro- i makroelementów wyniesionych z plonem z gleby [11]. Tab. 3. Porównanie wartości opałowej niektórych nośników energii Wyszczególnienie Wartość opałowa, MJ kg -1 s.m. Węgiel kamienny Pit-coal 18,8-29,3 Wierzba krzewiasta Salix sp. 18,6-19,9 Topinambur Helianthus tuberosus 15-16,6 Miskant olbrzymi Miscantus giganteus 19,2 Spartina preriowea Spartina pectinata 16,8 Sida pensylwańska Sida hermafrodita 14,5 Słoma zbożowa Cereal straw Kora 18.,05-20,20 Drewno odpadowe 16 Źródło: [7, 9, 13, 19] Bulwy Helianthus tuberosus mogą być wykorzystywane do zarówno produkcji biometanu, jak i biometanolu. Bulwy i sok z nich można poddać fermentacji z użyciem drożdży gorzelniczych lub drożdży z aktywną inulinazą. Proces ten charakteryzuje się wysoką wydajnością fermentacji alkoholowej i waha się w granicach 70-90% wydajności teoretycznej [21]. AUTOBUSY 125

4 PODSUMOWANIE Odnawialne źródła energii nie zastąpią źródeł konwencjonalnych, lecz mogą je systematycznie uzupełniać. W krajach o znacznym udziale rolnictwa w strukturze gospodarczej, do których można zaliczyć Polskę energia pozyskiwana z biomasy ma szczególne znaczenie. Zakładanie i prowadzenie plantacji energetycznych można przyczynić się do zwiększenia dochodów w sektorze rolnictwa oraz zmniejszenia bezrobocia. Stanowi również szansę wykorzystania potencjału obszarów rolniczych, umożliwiając zagospodarowanie gruntów odłogowanych oraz zanieczyszczonych. Na szczególną uwagę zasługuje słonecznik bulwiasty. Ma on wysoką odporność zarówno na wysokie, jak i niskie temperatury powietrza oraz na choroby, a także niewielkie wymagania glebowe. Posiada również bardzo wysoki potencjał produkcyjny, zarówno masy nadziemnej, jak i bulw. Na podstawie właściwości energetycznych biomasy pochodzącej z topinamburu można stwierdzić, że jest on potencjalnym źródłem lignocelulozowego surowca, który przy opracowaniu odpowiednich technologii może i powinien być wykorzystany w energetyce. TOPINAMBUR (HELIANTHUS TUBEROSUS) AS ENERGY PLANT Abstract In recent years the interest in renewable energy sources has increased greatly. The risk of the depletion of fossil fuels and concerns about the environment shifted the attention of scientists in the direction of search for alternative solutions. A number of studies was undertaken to evaluate the energetic potential of different plant species. Among a large group of plants of the importance as alternative energy sources special attention should be paid to the Jerusalem artichokes (Helianthus tuberosus), tubers and stems of which can be a good energy material. The tubers can be used for the production of bioethanol, by hydrolysis or methane fermentation, which may be used as a petrol additive. The stalks can be used for direct combustion after drying as well as for the production of briquettes and pallets. BIBLIOGRAFIA 1. Budzyński W., Bielski S.: Surowce energetyczne pochodzenia rolniczego. Biomasa jako paliwo stałe, cz. II. Acta Sci. Pol., Agricultura, 2004, nr 3(2). 2. Chołuj D., Podlaski S., Wiśniewski D., Szmalec J.: Kompleksowa ocena biologicznej przydatności 7 gatunków roślin wykorzystywanych na cele energetyczne. Studia i Raporty IUNG-BIP, 2008, nr Czeczko R.: Porównanie stopnia uwodnienia różnych części Helianthus tuberosus w aspekcie ich przydatności jako biopaliwa. Ochrona Środowiska i Zasobów Naturalnych, 2011, nr Denisiuk W.: Produkcja roślinna jako źródło surowców energetycznych. Inżynieria Rolnicza, 2003, nr 5(80). 5. Dyrektywa 2001/77/EC Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 27 września 2001 r. w sprawie promocji energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych na wewnętrznym rynku energii elektrycznej. DzUrz WE L 283 z dnia Feber A., Stasiak M., Kuś J.: Wstępna ocean produkcyjności wybranych gatunków roślin energetycznych. Progress in Plant Protection, 2007, nr, 47(4). 7. Gradziuk P., Grzybek A., Kowalczyk K., Kościk B.: Biopaliwa. Wyd. Wieś Jutra. Warszawa, AUTOBUSY

5 8. Grzybek A.: Kierunki zagospodarowania biomasy na cele energetyczne. Wieś Jutra 2003, nr Guzek K. Pisarek M.: Wykorzystanie biomasy na cele energetyczne w Polsce. Czysta Energia, 2002, nr 2(6). 10. Jeżowski S.: Rośliny energetyczne produktywność oraz aspekt ekonomiczny, środowiskowy i socjalny ich wykorzystania jako ekopaliwa. Postępy Nauk Rolniczych, 2003, nr Kalebasa D.: Ilość i skład chemiczny popiołu z biomasy roślin energetycznych. Acta Agrophysica, 2006, nr 7(4). 12. Kays S., J., Nottingham S., F.: Biology and Chemistry of Jerusalem Artichoke, Helianthus tuberosus. L. CRS Press, Talyor &Francis Group, Boca Raton, Florida, Komorowicz M., Wróblewska H., Pawłowski J.: Skład chemiczny i właściwości energetyczne biomasy z wybranych surowców odnawialnych. Ochrona Środowiska i Zasobów Naturalnych, 2009, nr Kościk B., Głowacka A., Kowalczyk-Juśko A., Wyłupek T.: Szacowanie potencjału biomasy na cele energetyczne do bezpośredniego spalania-problemy metodologiczne. Stowarzyszenie Ekonomistów Rolnictwa i Agrobiznesu. Rocznik Nauki, 2005, nr 7(7). 15. Kościk B.: Surowce roślinne pochodzenia rolniczego. Wydanie PWSZ, Jarosław, Lewandowski W.: Proekologiczne źródła energii odnawialnej. Wydawnictwa Naukowo- Techniczne, Warszawa, Majtkowski W.: Wartościowe rośliny energetyczne. Materiały z IV Konferencji Biopaliwa szansą dla Polski. SGGW, Warszawa, Monitor europejski. Urząd Komitetu Integracji. Aries 2006, No Piskier T.: Potencjał energetyczny topinamburu. Problemy Inżynierii Rolniczej, 2009, nr Protokół z Kioto do Ramowej konwencji Narodów Zjednoczonych w sprawie zmian klimatu, sporządzony w Kioto dnia 11 grudnia 1997 r. (DzU 2005, nr 203, poz. 1684). 21. Sawicka B., Skiba D., Michałek W.: Słonecznik bulwiasty jako alternatywne źródło energii na Lubelszczyźnie. Zeszyty Problemowe Postępów Nauk Rolniczych, Sławiński K., Sadowski W.: Możliwości i perspektywy upraw energetycznych na Pomorzu Środkowym, Prace Naukowe Akademii Ekonomicznej im. Oskara Langego we Wrocławiu, Szeptycki A., Wójcicki Z.: Postęp technologiczny i nakłady energetyczne w rolnictwie do 2020 r. Wyd. PTiR Kraków, Wiśniewski G., Andrzejewska M., Grabias M., Kassenberg A., Kubski P., Kupczyk A., Michałowska-Knap K., Mroszkiewicz T., Oniszko-Popławska A., Ruciński D., Więcka A., Włodarski M., Wójcik B.: Możliwości wykorzystania odnawialnych źródeł energii w Polsce do roku Ekspertyza. Instytut Energetyki Odnawialnej, Warszawa, Wrzosek J., Gworek B.: Biomasa w energetyce odnawialnej. Ochrona Środowiska i Zasobów Naturalnych, 2010, nr Zawadzka A., Imbierowicz M.: Inwestowanie w energetykę odnawialną. PAN, Oddział w Łodzi. Komisja Ochrony Środowiska, Autor: dr Renata Czeczko Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie AUTOBUSY 127